什么是eth2.0？以太坊2.0综合探索

概述

以太坊正试图将其整个数字经济转移到一个新的网络ETH2.0上。事实上，这种转变是高风险和相当复杂的，而且需要相当长的时间。我们认为，以太坊推出ETH2.0的主要动机是可伸缩性。事实证明，以太坊网络自推出以来，已经非常普及，网络上的交易量也大幅增加。为了使这种增长继续下去，所有节点运营商和共识代理（无论是POW还是POS）都需要运行更强大的计算机（这也意味着成本更高）。这最终会导致越来越多的中心化，这可能会降低系统的反审查特性，如果继续下去，最终会使网络失去意义。面对这个问题，比特币（BTC）选择了线下扩张方案（如闪电），而比特币现金（BCH）似乎更愿意假装这个问题不存在（至少在某种程度上）。但是对于以太坊来说，这个困境的解决方案正变得越来越清晰——切分。

碎片化的核心问题是它意味着以太坊经济模式的改变。例如，如果以太坊是一台不可阻挡的单一世界计算机，那么如果它被分解成多个部分（多台计算机），它可能无法满足所有用户的期望。如果Shard 1）Shard 2上的smart contract想要与Shard 2上的smart contract交互。因为需要在一系列事件上达成共识，在碎片之间共享信息，在这个过程中会有很多摩擦。至少，与同一个碎片上的两个合同相比，体验会有所不同。因此，在一定程度上，以太坊2.0的引入将逐渐淡出解释之前所谓“单一世界计算机”的愿景。有些人认为以太坊和碎片化是对立的概念。但也有人认为，以太坊可能会参与到一些利基案例中，也就是说，如果不同的用户群体对不同类的应用程序感兴趣，那么他们之间几乎没有互动。在以太坊网络中，碎片化可能具有一定的意义。它可以保证不同用户共享同一个以太坊代币，提高整个网络的灵活性。

事实上，碎片化代表了以太坊运作方式的根本性变化，这解释了为什么向碎片化的过渡实际上是一个比人们想象的更具颠覆性的变化。现有的智能合约不能简单地转移到分区网络上。新的以太坊网络意味着原有网络的智能合约也需要重新构建，以适应新的环境。这一转变将是一个漫长而痛苦的过程。在以太坊2.0的初始阶段，它将与以太坊1.0作为一条平行链共存，在未来的某个时候，这两条链将重新合并为一条。

在以太坊推出之前，它实际上计划采用POS而不是pow作为共识机制。由于从POS到POW的转换比预期的更困难（与切片相同），所以时间延迟。随着以太坊向新网络过渡，借此机会同时推出POS是合理的。以太坊虚拟机将升级到新版本。此次升级将提升以太坊5年多的相关技术和监控经验。

过渡时期的三个阶段

如下图所示，向以太坊2.0的过渡分三个阶段进行：

单向通道

在以太坊2.0发布后，将有两个以太坊网络并行运行（以太坊1.0和以太坊2.0）。首先，我们可以将以太坊1.0上的代币（以下简称ETH1）换成以太坊2.0（ETH2）上的代币，但反向操作不可行。因此，理论上ETH2的交易价格应该小于或等于ETH1的价格。然而，在过渡的早期阶段，ETH2甚至不可能有价格，也不可能得到交易所的支持，因为货币可能不会用于分期以外的任何目的，甚至基本的交易活动也无法实现。

要将ETH1转换为ETH2，用户必须在ETH1上使用存款合同。合同将基本上销毁ETH1，而这种销毁将作为发布新ETH2的基础。因此，ETH1基本上永远被销毁（尽管可以通过改变hard fork协议来恢复ETH1链上的代币）。转换为ETH2的代币将自动进入POS的验证器池。正如我们在2018年关于POS的文章中所解释的，POS背后的想法是，归属于共识代理的投票和奖励权重由用户存入的代币数量决定。在ETH2规范中，每个登台代理需要32个ETH。如果向合同发送超过32以太坊，那么堆垛机将不会从这些额外的硬币中获益。如果发送的ETH2小于32 ETH，服务器将不会激活他手中的ETH2。因此，为了将ETH1转换为ETH2，需要分批发送32个ETH，每一批ETH可以看作是一个独立的分段代理。

代币发行

如上所述，以太坊网络将同时拥有两个并行系统。最初的以太坊将继续作为POW链运行，而以太坊2.0将在新的POS系统下运行。在此期间，共识机构的双方，即矿工和股东，都需要受到激励。因此，以太坊的通胀率将上升，直到两个系统最终合并。目前，这可能被认为是一个缺陷，但这也是一个值得付出的代价，以确保成功过渡到以太坊2.0。至于ETH2的通胀计划，其发行率将取决于ETH2参与分期发行的情况。年度发布计划将基于以下算法：

其中ETH2是转移到POS的代币数量。公式背后的思想是ETH1转移到ETH2越多，发行的新硬币就越多。然而，由于押注的货币越多，投资回报率就越低，因此可以获得的投资回报率将下降。从下图我们可以看到通货膨胀率的变化。

（注：至少需要16000ETH2才能启动信标链）

上述发行计划基于激励机制，应确保最初有强烈的动机将代币转让给ETH2并采取。这种转变的动机会越来越低，因为如果ETH2已经非常成功，对ETH1的需求就会减少。这就保证了有足够的代币可以转让给ETH2，这样新网络的规模就会很大，如果ETH2确实非常流行，那么这种代币的流通量也不会太高。

当然，随着所有这些新硬币的发行，有人可能会问，这种机制将如何与以太坊最初的quot;永久线性通胀计划相匹配？

“永久性的线性供给增长模式降低了BTC等部分人财富中心化在BTC的风险，为生活在当下和未来的个人提供了一个公平的机会，可以使用数字货币，同时防止以太坊贬值，因为随着时间的推移，‘供给增长率’仍然趋于零。”

（来源：以太坊白皮书）

还有一些潜在的因素可以降低潜在的通胀率：

在第一阶段，成本系统预计包括两个要素，一个是基本费用（代币被销毁的地方），另一个是溢价（作为对Maker的奖励）。这些被摧毁的代币将降低通货膨胀。如果验证器未能参与验证过程，例如由于节点崩溃或与网络断开连接，则分段奖励减少。验证者将因不当行为受到惩罚，代币将被销毁。上述机制将导致ETH2的破坏，从而抑制通货膨胀率上升的影响。但由于各因素的抑制程度难以预测，ETH2的发行率存在很大的不确定性。

值得一提的是，我们不确定被销毁的交易成本的任何部分是否有效。从经济学的角度来看，共识代理和用户的利益是一致的，用户需要向共识代理支付一定的服务费。如果共识代理的资金完全由用户支付而不是块奖励来提供，那么双方之间的冲突就不太可能发生。同时，试图任意确定正确的奖励计划，与将其交给消费市场相比，可能会导致效率低下。当然，BTC在这方面还没有成功，封杀奖励还是相当可观的。就以太坊而言，从长远来看，所有交易费用都交给验证者可能更具可持续性，从而降低通胀计划，抵消通胀影响。毕竟，验证者只想保证用户活动的安全（如果用户什么都不做，他们就不需要安全性），这可能会使安全性和通货膨胀之间的艰难权衡变得更容易。

双链合并

我们认为，最终计划将以太坊与以太坊2.0合并可能需要几年时间。它可以通过将原来的以太坊作为以太坊2.0中的一个片段来实现。这样，就可以在片段之间进行代币的双向转移，直到实现两个代币的最终组合。根据计划，目前在以太坊上进行的大部分活动可以在以太坊部分继续进行。

下一步可能是合并共识机制。在以太坊2.0中，以太坊的碎片可以逐渐转移到POS机制。POW机制一开始是可以存在的，但是在设置一定数量的区块后，比如每100个区块，区块的一致性可以由POS来决定，POS会逐渐发展，直到它取代POW成为主流共识机制，但POW仍然在这些POS的关卡中实施，最后POW及其区块奖励将完全被淘汰。这将使以太坊的用户和投资者对通胀计划更有把握。

网络常数建议

下表显示了以太坊2.0描述中最重要和最重要的常量

销售时点情报系统

POS是根据累积最多的栈（即投票给最多硬币的链）来选择分岔规则的一般思想。当然，我们也面临着如何构建投票过程的问题。以太坊2.0投票系统背后的核心原则与2018年以太坊提案中描述的核心原则没有改变。它仍然是基于Casper友好的final gadget的思想。然而，该系统的更新是基于casperfriendly finality gadget和最新消息驱动的绿色重观测子树分叉选择规则（即casperfgLMD ghost fork selection rule）的结合。

我们将通过将投票系统分解为几个部分来解释投票系统的基本机制。首先要考虑的是，我们有一个大的堆垛机池，每个池最多代表32以太（激活服务器需要32以太，在停用服务器之前，最低可达16以太）。与直接在街区投票不同，投票池被放置在不同的投票委员会中，这些委员会的成员是从更大的投票池中随机抽取的。

设立该委员会的原因是，并不是每一个堆垛者都能参加每个街区的投票。否则，区块链将包含太多投票数据，无法扩展。委员会还帮助将投票数据汇总成可管理的数据块。因此，将从Maker中随机选出一部分在这些委员会中投票。ETH2规范将每个委员会的目标成员数设置为128个，这是理想的最小值。我们相信有一个概率保证块选择。签名表决可以聚合签名，减少所需的块空间，保证网络的可扩展性。

事实上，情况比上面显示的要复杂一些。在阶段0中，每个槽最多可以有64个验证委员会（而不是上面所示的一个）。因此，如果每个委员会有128个成员，每个时代最多可以包含262144个staker（约840万ETH）。

每一个代理都被分配到一个委员会，而且越是可疑，委员会就越大。委员会的最大规模为2048，大致相当于每个纪元使用的以太坊的总供应量（64个委员会*32 ETH*32个slLoot*每个委员会2048个堆垛机=1.342亿ETH）。因此，无论有多少人选择采取，委员会总是有足够的空间。下图显示了委员会的数量和每个委员会的成员数量如何随过渡池中ETH的数量而变化。它表明，随着分期池的增加，委员会的数量首先增加到64个，然后（当分期池大约为840万ETH时），委员会的规模开始增加。

为了确定哪个区的选票最多，我们需要把所有委员会的票数加起来。如果投票者表现良好，他们可以从新发布的以太坊池中获得奖励。另一方面，如果选民做出某种恶意行为，就会受到惩罚，失去部分权益。这些对恶意行为的惩罚是为了防止像一个投票人投票给两个相互冲突的区块。然而，在某些情况下，投票给冲突区块可能是合法的，因此惩罚规则不是直观的惩罚规则，我们将在稍后的报告中讨论。

定稿

当委员会成员对一个区块进行投票时，他们不仅要对区块提案进行投票，还必须对历史关卡区块进行引用和投票。或者，更准确地说，是指从一个检查点块到另一个检查点块（源检查点和目标检查点）的转换。正是这一机制有助于确保投票过程有效和可信。因此，基本上有两种POS投票过程（一种在另一种之间）。下图显示了两种投票类以及这些投票可以存储在哪个块中。

如果在某个阶段的所有委员会之上都建立了一个检查点模块，并且超过三分之二的委员会成员在投票中提到了该检查点，那么该模块就是由quot;决定的quot;。它最早可以在一个时代的三分之二实现。下一阶段是最后确定。当一个区块链中的一个区块包含两个确定性区块时，该区块便最终确定。因此，在大多数情况下（由于强大的通信信道，可以快速达到投票阈值的三分之二），用户需要等待大约一个epoch（6.4分钟）来验证块，而定案需要等待两个epoch（12.8分钟）。如下图所示。

处罚条件

如上所述，大幅削减的条件并没有明确指出，选民不应该因为投了两个相互矛盾的障碍而受到惩罚。因此，有三种情况可以惩罚选民。

处罚条件：

块生成器在其分配的时隙中提出两个相互冲突的块建议。生成两个投票，其中包含具有相同高度的检查点块转换引用的冲突引用。生成两个投票，其中包含重叠的检查点块转换引用。例如，引用从检查点块1到检查点块4的转换的投票，以及引用从检查点块2到检查点块3的转换的投票。人们可能会认为，应该用一个更明显的规则来代替这个规则，即所有的块转换引用都应该是连续的，然而，诚实的节点可能会错过一个检查点块，无序投票可能是合法的。此行为如下图所示。

POS流程评估

最终确定后，可以肯定的是，用户不能交易双花。然而，这些系统的评价是非常困难的，而且很难评价收敛和定的程度。

投票委员会的整个过程、投票委员会的索引、参考检查点块的转换以及等待两个时代的最终确定可能是一个不必要的抽象。它只是将POS系统分解成不同的部分来增加复杂性，混淆了安全模的根本缺陷——权益问题。另一方面，也许将POS进程分解为这些子部分将真正提高网络的安全特性。基于概率的平衡，我们认为这些投票过程可以在一定程度上提高安全性和安全性。投票过程的复杂性（例如，在每一轮投票期间的分期）确保了将分期客户转变为任何能够使利润最大化的非交易行为在技术上可能是非常具有挑战性的，这在一定程度上增加了安全性。但我们认为，这是否能使这一制度强大到足以长期生存和发展，这确实是一个有待讨论的问题。然而，我们要在评论和分析中指出，我们对这一制度的理解是不完整的。

请注意，以上描述只是这个过程的一个基本概述。有许多内容我们没有提到，也有许多制度上的疏漏。比如，我们没有处理好进入或退出暂存池的问题，如何计算每个堆垛者的奖惩，如何标记举报人的不良行为，所有投票数据占用多少块空间，以及如何汇总和计算暂存选票。

分片

在第一阶段，碎片被添加到系统中。最初的计划是从1024个分区开始，但现在已经减少到只有64个。信标链仍然被认为是主链或父链，但现在它还包含到碎片的链接。由于有64个片段，信标链可以链接到64个片段。假设在正常工作情况下，每个信标块可以链接到每个片段。

这样，有两种引用方式：片段链块是指信标块（带有信标块的散列值），信标块可以是指信标链块（称为交叉链）。在某些信标块中可能会丢失一些片段引用，但每个片段链块必须链接到信标链。

注意：蓝色箭头表示一个块的哈希值，每个块必须包含一个哈希值。灰色箭头表示交叉片段引用，它可能包含在信标块中，也可能不包含在信标块中。如果缺少一个片段，可以在下一个信标块中包括一个参考，如图右侧所示）

应当指出，在第一阶段，碎片化系统和碎片化过程相互关联。从第0阶段开始，每个槽的多个验证器委员会现在映射到碎片。因此，每个部门都有自己的分级投票委员会，在每个赞助委员会期间都会发生变化。与信标链一样，委员会的一名成员被赋予在一段时间内生成一个数据块的任务，而其余的委员会成员则对每个提案进行投票。需要考虑的一个关键点是，当信标链通过交叉链路引用块时，所有的投票信息都包含在信标链中。

下图说明了堆栈器到碎片链的可能分配方案。在第1阶段，转移代理被随机分配到信标链或特定的区块链。如果ETH的数量少于840万，就没有足够的中转代理来充分服务所有碎片。因此，可以在一定程度上减少碎片化。

因此，在信标链的每个插槽中只剩下一个验证委员会。每个分区块包含最新信标块的散列值，和。信标块可能包含来自碎片（交叉链路）的所有投票数据。

因此，所有区块链上的投票和分段也可以用于主信标链分支选择规则的计算和最终确定。POS的工作原理与以前相同，只是信标链中的投票信息不包含在委员会索引中，而是包含了每个分段的投票信息。

每个片段链中没有检查点块，也没有证明或定案过程。相反，为了获得交易最终在块内被确定的保证，必须等待信标链。一旦信标链中的相关块最终确定，片段链中的用户就可以获得片内事务的确定性。

因此，交叉连接有三个功能：

使区块链委员会中的堆垛机投票包含在主信标链上的投票中，并对碎片链区块进行验证，使之成为最终结果。至于所有其他形式的跨分片通信，如ETH或其他资产跨片传输，据我们所知，这个机制还没有完全解决。虽然这个主题可能要到第二阶段才会出现，但它很可能是另一个在可伸缩性和可用性之间产生不完美折衷的领域。我们甚至可以说，这里的挑战如此之大，以至于整个碎片化模式都将受到质疑。分段结构为希望运行节点的用户提供了灵活性。你可以运行一个节点来处理所有事情，信标链和每个片段。也可以只运行信标链，它包括一些分区块的块头。第三个选项是运行一个节点来验证信标链和所选片段子集。如果一个人选择不运行一个节点来处理每个碎片，他将依靠其他人来检查这些碎片中进程的真实性。但是，这个想法是一些用户会选择验证这些碎片，因此保证程度的概率非常高。

结论

以太坊的所有者喜欢尝试新的复杂系统，无论是Dao、ICO、maker还是现在的DeFi。然而，以太坊社区的一些成员向我们表达了他们对以太坊技术已经有五年历史并且可能落后的担忧。因此，以太坊2.0满足了热衷于尝试新想法的社区的需求。因此，我们预计将有相当数量的资金流入以太坊2.0，以获得登台奖，可能价值数十亿美元的以太坊。

很多人问我们，以太坊2.0的推出会对以太坊的价格产生什么影响。当然，在短期内，大量以太坊可能被锁定在信标链中，并被新区块链赚取回报的能力所吸引。一方面，这可能会限制ETH在市场上的供应，推高价格；另一方面，可能只会吸引其他被视为锁定的ETH合同。然而，真正的问题是以太坊能否提升长期价值。因此，供应不仅要有限，而且要有可持续的需求。

为了使以太坊2.0取得成功，利益证明和碎片化系统需要发挥作用，并有足够的吸引力，让原来以太坊生态系统的经济部分加入到以太坊2.0中。智能合约和DeFi系统将需要选择适合它们的碎片化，并投资于升级其技术，以适应碎片化系统的复杂性和局限性。因此，以太坊生态系统中相当多的人需要很多年才能实现这种转变。以太坊2.0是一个令人难以置信的雄心勃勃的项目，我们也认为，如果没有重大挫折，它是不会成功的。

在撰写这份报告的过程中，有一件事确实引起了我们的注意：以太坊极其复杂。有这么多的委员会，部门和投票类，似乎如果你不小心，它很可能会犯错误，甚至进一步拖延。然而，尽管存在这些潜在的问题，以太坊2.0仍然值得一试。如果它真的成功了，潜在的回报是可观的。